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鄉鎮自來水廠PLC控制系統設計
引言
我國總體上是一個水資源匱乏的國家，在發展供水事業的同時也要考慮節約用水，提高水資源利用率，特別是目前我國的城鎮供水在水質處理、工藝設施和管網建設上，與發達國家相比還有一定差距，因此有必要提高城鎮水廠的自動化程度。水廠自動化的主要目的不僅是節省勞動力，更主要的是實現優質、高效率的供水保證。生產過程的自動檢測、調整、控制和事故報警可保證設備在規定狀態下運行，防范事故于未然，實現不間斷的供水；投藥、過濾、消毒等工藝過程實施閉環控制，可以隨著水量、水質的變化及時調整工藝參數，保證出水水質達標；出廠水壓自動調整，能保證穩定的服務水壓，減少爆管和漏失水量；生產過程的優化運行可以大大減少水、氣、電和各種藥劑的浪費，達到低耗。
本文介紹的自來水廠自動化系統能實現對各水處理設備和生產過程的自動監控，達到“現場無人值守、控制中心少人值班”的自動化程度。本設計的控制過程主要完成加礬、加氯量的調節，通過可編程邏輯控制器PLC來實現。具體如下：收集傳感器對壓力、流量、濁度、余氯、PH值數據的采集，具體包括壓力值、取水口流量、出水口流量、取水口濁度、沉淀池濁度、出水口濁度、沉淀池余氯、出水口余氯、PH值傳送給PLC，PLC根據數字顯示，通過控制加氯儀和投礬儀的開關來實現自來水的消毒與凈化。PLC實時監測上述9路輸入的信號，并把信號傳給工控機，通過組態軟件實時顯示、報警、控制操作和實現數據管理。用于生產管理的計算機根據PLC上傳的各儀表所檢測到的數據，結合相關標準，經過分析后，將結果下傳給PLC，終控制加礬、加氯。
1 系統介紹
系統包括中控室、取水井、加礬加氯間、反應池、過濾池、清水池、送水泵房、管網等各環節組成，各子系統由PLC站控制，中控室有2臺分別用于生產管理與監控的算機，中控計算機可實時顯示各PLC單元控制的儀表、機電、加礬、加氯設備和濾池在內的工作情況，可對系統的所有設備進行遠程操作和控制。PLC接收流量、濁度、壓力無線遠傳信號，控制加氯、加礬量；管理計算機用于顯示、存儲視頻信號，以便于管理。
本系統能實時顯示流量值、濁度值、壓力值以及pH值，還能根據濁度調節加礬量，能在很短的時間內將濁度維持在2到5之間，能顯示漏水以及安全報警。
整個系統分為三部分：水質監測控制系統、視頻監控系統、管網壓力無線遠傳系統。
水質監測系統主要由信息采集、信息分析、信息管理與反饋三部分組成。其中信息采集部分由流量檢測儀、濁度檢測儀、余氯分析儀、pH檢測儀、壓力變送器組成；信息分析部分由PLC可編程控制器組成；信息管理與反饋部分由組態軟件MCGS、工控機組成。
視頻監控系統由前端攝像、信號傳輸、圖像處理、顯示和記錄四部分組成。前端攝像：負責攝取現場的畫面并將圖像信號轉變為可傳輸的電信號，包括攝像機、鏡頭、防護罩、支架等；信號傳輸：用于傳送現場的視頻信號，包括解碼器、視頻電纜、圖像采集卡等；圖像處理：集中接收和處理現場發送回來的各種信號，并進行相應的控制和管理工作；顯示和記錄：將前端設備傳回的視頻信號轉化為圖像信號并顯示和記錄，主要包括顯示器和大容量硬盤兩部分。
管網壓力無線遠傳系統主要由數據采集設備、數據傳輸設備、數據接收設備三大部分組成。數據采集設備是壓力變送器；數據傳輸設備是無線網絡轉換器；數據接收設備是對接收到的數據進行存儲和管理，將實時數據和歷史數據傳送給電腦軟件系統。
2 系統設計
根據PLC控制系統的設計原則，本自來水廠自動控制系統的設計包括：PLC的選型；PLC控制梯形圖的軟件設計；上位機通信的設計。
2.1 PLC的選型
根據控制系統參數對PLC模擬量、數字量I/O點數、性質的要求，以及系統設計原則，綜合考慮各I/O點的電壓、電流的性質，PLC選擇S7—200系列，其CPU單元為CPU226，本機數字量I/O是24/16點，所以要對其進行模擬量模塊的擴展，選擇了3個輸入模擬量擴展模塊EM23l，根據信號的大小、分布情況，對各I/O點進行分組分配。
2.2 PLC控制系統軟件設計
控制過程主要完成加礬、加氯量的調節，通過PLC來實現。基本控制過程是PLC實時監測整個水處理過程中的9路工藝信號，一方面把信號傳給工控機，通過組態軟件實時顯示出來。另一方面主要根據各點的實時輸入信號，控制調節加藥量大小，保持成品水質，達到自動控制水質的目的。具體控制是保證自來水廠出水口濁度在2到5之間的前提下，盡量節省用礬量。對投礬儀的控制主要是通過PLC控制電動調節閥開口大小，電動調節閥控制電流為4～20mA。其中4mA對應電動調節閥關閉狀態，20mA對應電動調節閥開啟。
基本控制思路是濁度控制分粗調和細調兩步，先根據取水濁度初步決定調節輸出范圍，再根據成品水濁度進行精細調節確定加藥量，保證成品水質。若取水口濁度大于50，電動調節閥開啟到大，PLC控制輸出20mA電流；若取水口濁度大于30小于等于50，電動調節閥門開啟75%,PLC控制輸出16mA電流；若取水口濁度大于15小于等于30，電動調節閥門開啟50%,PLC控制輸出12mA電流；若取水口濁度大于5小于等于15，電動調節閥門開啟25%,PLC控制輸出8mA電流；若取水口濁度大于2小于等于5，電動調節閥門開啟為10%,PLC控制輸出5.6mA電流。在以上初步設定范圍內，再判斷沉淀池濁度，當沉淀池濁度大于5時，增大電動調節閥的開啟度，PLC的控制輸出電流增大；當沉淀池的濁度小于2時，減小電動調節閥的開啟度，PLC的控制輸出電流減小。
工控機是整個系統的監控中心，該控制系統采用“工控機+PLC”模式，用于生產管理的計算機，根據PLC上傳的各儀表所檢測到的數據，結合相關標準，經過分析后，將結果下傳給PLC，后由PLC控制如加礬、加氯，根據管壓信號控制水流量。監控計算機主要是通過顯示、存儲接收到的視頻信號來保證水廠安全，以便于管理，并可自動生成各監測點數據歷史曲線，方便用戶查看。
系統設計的目標是上位機監控系統提供一個友好的人機交互平臺，作為工作人員方便直觀地監控系統的運行情況。包括以下功能：實時顯示壓力、取水口流量、出水口流量、取水口濁度、沉淀池濁度、出水口濁度、沉淀池余氯、出水口余氯、pH值，并形成歷史曲線；出水口濁度報警和出水口余氯報警；廠區安全監控及視頻存儲。
3 結束語
本文通過分析國內外凈水廠及其計算機自動控制系統現狀的比較，針對水廠的控制要求設計了一套自動化控制系統。經試驗室調試和現場運行試驗，系統能很好地完成調節任務，不論取水濁度在哪個范圍系統都能在較短時間自動將加礬量調節到合適位置，保證成品水質濁度在2～5的技術要求。其它通訊、顯示、操作、報警及歷史曲線等各項功能工作正常，均達到了客戶提出的系統要求。
參考文獻
[1] 張揚，蔡春偉，孫明健．S7-200PLC原理與應用系統設計[M]．北京：機械工業出版社，2007，5（3）：133～160.
[2] 周萬珍，高鴻斌．PLC分析與設計應用[M]．電子工業出版社．2004,5：108～132.
[3] 吳作明.工控組態軟件與PLC應用技術[M]. 北京：北京航空航天大學出版社.2007：1～119．
[4] 農村供水工程自動化控制系統.武漢波光源科技有限公司.2009年8月．
[5] 廖常初．PLC梯形圖程序的設計方法與技巧[M]．電工技術．1998，10：59～65.
我國總體上是一個水資源匱乏的國家，在發展供水事業的同時也要考慮節約用水，提高水資源利用率，特別是目前我國的城鎮供水在水質處理、工藝設施和管網建設上，與發達國家相比還有一定差距，因此有必要提高城鎮水廠的自動化程度。水廠自動化的主要目的不僅是節省勞動力，更主要的是實現優質、高效率的供水保證。生產過程的自動檢測、調整、控制和事故報警可保證設備在規定狀態下運行，防范事故于未然，實現不間斷的供水；投藥、過濾、消毒等工藝過程實施閉環控制，可以隨著水量、水質的變化及時調整工藝參數，保證出水水質達標；出廠水壓自動調整，能保證穩定的服務水壓，減少爆管和漏失水量；生產過程的優化運行可以大大減少水、氣、電和各種藥劑的浪費，達到低耗。
本文介紹的自來水廠自動化系統能實現對各水處理設備和生產過程的自動監控，達到“現場無人值守、控制中心少人值班”的自動化程度。本設計的控制過程主要完成加礬、加氯量的調節，通過可編程邏輯控制器PLC來實現。具體如下：收集傳感器對壓力、流量、濁度、余氯、PH值數據的采集，具體包括壓力值、取水口流量、出水口流量、取水口濁度、沉淀池濁度、出水口濁度、沉淀池余氯、出水口余氯、PH值傳送給PLC，PLC根據數字顯示，通過控制加氯儀和投礬儀的開關來實現自來水的消毒與凈化。PLC實時監測上述9路輸入的信號，并把信號傳給工控機，通過組態軟件實時顯示、報警、控制操作和實現數據管理。用于生產管理的計算機根據PLC上傳的各儀表所檢測到的數據，結合相關標準，經過分析后，將結果下傳給PLC，終控制加礬、加氯。
1 系統介紹
系統包括中控室、取水井、加礬加氯間、反應池、過濾池、清水池、送水泵房、管網等各環節組成，各子系統由PLC站控制，中控室有2臺分別用于生產管理與監控的算機，中控計算機可實時顯示各PLC單元控制的儀表、機電、加礬、加氯設備和濾池在內的工作情況，可對系統的所有設備進行遠程操作和控制。PLC接收流量、濁度、壓力無線遠傳信號，控制加氯、加礬量；管理計算機用于顯示、存儲視頻信號，以便于管理。
圖1.1是水廠自動化控制系統總體結構圖。本設計將以此為藍本，結合農村中大型自來水廠的具體情況及客戶要求，設計出合適的方案。
本系統能實時顯示流量值、濁度值、壓力值以及pH值，還能根據濁度調節加礬量，能在很短的時間內將濁度維持在2到5之間，能顯示漏水以及安全報警。
下圖是鄉鎮水廠自動化控制界面。
整個系統分為三部分：水質監測控制系統、視頻監控系統、管網壓力無線遠傳系統。
水質監測系統主要由信息采集、信息分析、信息管理與反饋三部分組成。其中信息采集部分由流量檢測儀、濁度檢測儀、余氯分析儀、pH檢測儀、壓力變送器組成；信息分析部分由PLC可編程控制器組成；信息管理與反饋部分由組態軟件MCGS、工控機組成。
視頻監控系統由前端攝像、信號傳輸、圖像處理、顯示和記錄四部分組成。前端攝像：負責攝取現場的畫面并將圖像信號轉變為可傳輸的電信號，包括攝像機、鏡頭、防護罩、支架等；信號傳輸：用于傳送現場的視頻信號，包括解碼器、視頻電纜、圖像采集卡等；圖像處理：集中接收和處理現場發送回來的各種信號，并進行相應的控制和管理工作；顯示和記錄：將前端設備傳回的視頻信號轉化為圖像信號并顯示和記錄，主要包括顯示器和大容量硬盤兩部分。
管網壓力無線遠傳系統主要由數據采集設備、數據傳輸設備、數據接收設備三大部分組成。數據采集設備是壓力變送器；數據傳輸設備是無線網絡轉換器；數據接收設備是對接收到的數據進行存儲和管理，將實時數據和歷史數據傳送給電腦軟件系統。
2 系統設計
根據PLC控制系統的設計原則，本自來水廠自動控制系統的設計包括：PLC的選型；PLC控制梯形圖的軟件設計；上位機通信的設計。
2.1 PLC的選型
根據控制系統參數對PLC模擬量、數字量I/O點數、性質的要求，以及系統設計原則，綜合考慮各I/O點的電壓、電流的性質，PLC選擇S7—200系列，其CPU單元為CPU226，本機數字量I/O是24/16點，所以要對其進行模擬量模塊的擴展，選擇了3個輸入模擬量擴展模塊EM23l，根據信號的大小、分布情況，對各I/O點進行分組分配。
2.2 PLC控制系統軟件設計
控制過程主要完成加礬、加氯量的調節，通過PLC來實現。基本控制過程是PLC實時監測整個水處理過程中的9路工藝信號，一方面把信號傳給工控機，通過組態軟件實時顯示出來。另一方面主要根據各點的實時輸入信號，控制調節加藥量大小，保持成品水質，達到自動控制水質的目的。具體控制是保證自來水廠出水口濁度在2到5之間的前提下，盡量節省用礬量。對投礬儀的控制主要是通過PLC控制電動調節閥開口大小，電動調節閥控制電流為4～20mA。其中4mA對應電動調節閥關閉狀態，20mA對應電動調節閥開啟。
基本控制思路是濁度控制分粗調和細調兩步，先根據取水濁度初步決定調節輸出范圍，再根據成品水濁度進行精細調節確定加藥量，保證成品水質。若取水口濁度大于50，電動調節閥開啟到大，PLC控制輸出20mA電流；若取水口濁度大于30小于等于50，電動調節閥門開啟75%,PLC控制輸出16mA電流；若取水口濁度大于15小于等于30，電動調節閥門開啟50%,PLC控制輸出12mA電流；若取水口濁度大于5小于等于15，電動調節閥門開啟25%,PLC控制輸出8mA電流；若取水口濁度大于2小于等于5，電動調節閥門開啟為10%,PLC控制輸出5.6mA電流。在以上初步設定范圍內，再判斷沉淀池濁度，當沉淀池濁度大于5時，增大電動調節閥的開啟度，PLC的控制輸出電流增大；當沉淀池的濁度小于2時，減小電動調節閥的開啟度，PLC的控制輸出電流減小。
下面是加礬細調網絡。取水口濁度大于50小于等于100,電動調節閥開啟到大，PLC控制輸出20 mA電流，同時參考成品水濁度，即沉淀池濁度。 具體控制方法是先根據進水口濁度輸出粗調量，延時一定時間后，判斷沉淀池濁度，如果沉淀池濁度大于5，控制電流就在原值的基礎上增加一個單位，增大加礬電磁閥開度，大增加至全開，對應輸出電流20mA；當沉淀池濁度的值小于等于2時，控制電流就在原值的基礎上減小一個單位同時減小加礬電磁閥開度，小減小至全關，對應輸出電流4 mA。終使沉淀池濁度保持在2和5之間。調節過程中輸出電流值和閥門返回實際開度值可通過組態軟件實時顯示。如果控制輸出值和閥門返回開度值相差超過一定范圍還可輸出故障報警。加礬細調網絡如圖2.1所示。
工控機是整個系統的監控中心，該控制系統采用“工控機+PLC”模式，用于生產管理的計算機，根據PLC上傳的各儀表所檢測到的數據，結合相關標準，經過分析后，將結果下傳給PLC，后由PLC控制如加礬、加氯，根據管壓信號控制水流量。監控計算機主要是通過顯示、存儲接收到的視頻信號來保證水廠安全，以便于管理，并可自動生成各監測點數據歷史曲線，方便用戶查看。
系統設計的目標是上位機監控系統提供一個友好的人機交互平臺，作為工作人員方便直觀地監控系統的運行情況。包括以下功能：實時顯示壓力、取水口流量、出水口流量、取水口濁度、沉淀池濁度、出水口濁度、沉淀池余氯、出水口余氯、pH值，并形成歷史曲線；出水口濁度報警和出水口余氯報警；廠區安全監控及視頻存儲。
3 結束語
本文通過分析國內外凈水廠及其計算機自動控制系統現狀的比較，針對水廠的控制要求設計了一套自動化控制系統。經試驗室調試和現場運行試驗，系統能很好地完成調節任務，不論取水濁度在哪個范圍系統都能在較短時間自動將加礬量調節到合適位置，保證成品水質濁度在2～5的技術要求。其它通訊、顯示、操作、報警及歷史曲線等各項功能工作正常，均達到了客戶提出的系統要求。
參考文獻
[1] 張揚，蔡春偉，孫明健．S7-200PLC原理與應用系統設計[M]．北京：機械工業出版社，2007，5（3）：133～160.
[2] 周萬珍，高鴻斌．PLC分析與設計應用[M]．電子工業出版社．2004,5：108～132.
[3] 吳作明.工控組態軟件與PLC應用技術[M]. 北京：北京航空航天大學出版社.2007：1～119．
[4] 農村供水工程自動化控制系統.武漢波光源科技有限公司.2009年8月．
[5] 廖常初．PLC梯形圖程序的設計方法與技巧[M]．電工技術．1998，10：59～65.
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